動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)中資源分配方法研究.pdf

1、現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，用戶對信息傳輸速率和傳輸質(zhì)量的需求日益提高，緊缺的頻譜資源與復(fù)雜的傳輸環(huán)境逐漸成為發(fā)展的主要限制。在這種情況下，動態(tài)頻譜分配和利用技術(shù)與MIMO技術(shù)、協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合的通信系統(tǒng)引起人們的廣泛關(guān)注。動態(tài)頻譜接入技術(shù)解決了頻譜利用率低下的問題，而MIMO和協(xié)作通信技術(shù)能有效改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量。進(jìn)一步地，認(rèn)知無線電（Cognitive Radio, CR)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜分配和利用的關(guān)鍵技術(shù)。因此，在CR和M

2、IMO、協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合的通信場景下，如何分配無線資源以實(shí)現(xiàn)最佳頻譜效率值得研究。與此同時，當(dāng)共享蜂窩網(wǎng)絡(luò)授權(quán)頻譜資源時， Device-to-Device( D2D)通信相比于CR顯得更有優(yōu)勢。而在D2D通信中，D2D終端用戶往往釆用電池供電，這使得能量效率顯得尤為重要。因此，當(dāng)D2D共享蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜時，如何分配無線資源以實(shí)現(xiàn)最佳能量效率同樣值得研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹了凸優(yōu)化理論、粒子群優(yōu)化算法及頻效/能效優(yōu)化

3、準(zhǔn)則。包括凸優(yōu)化理論中的基本概念、對偶理論、KKT優(yōu)化條件、強(qiáng)對偶性質(zhì)以及求解非凸優(yōu)化問題的一個重要條件：時間共享條件。介紹了粒子群優(yōu)化算法，包括基本原理、流程實(shí)現(xiàn)、不同模型及參數(shù)選擇以及改進(jìn)算法等。然后介紹了帶寬功率乘積準(zhǔn)則概念，并指出了其價值及與傳統(tǒng)注水準(zhǔn)則的區(qū)別。最后介紹了電池預(yù)期數(shù)據(jù)量準(zhǔn)則概念，給出了其定義及相應(yīng)的應(yīng)用。⑵研究了最佳的無線資源分配方案，包括MIMO收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)、信道分配、發(fā)送功率等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)頻譜效率。具體地講

4、，研究了單對認(rèn)知用戶通信時的資源優(yōu)化問題，繼而拓展到多對認(rèn)知用戶通信時的場景。在核心的資源分配問題中，提出了聯(lián)合功率和信道交互迭代算法。其創(chuàng)新性的想法是將綜合優(yōu)化問題分解成功率優(yōu)化子問題和信道分配子問題，且子問題之間能夠交替迭代求得最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明本文所提出的優(yōu)化算法相比于粒子群優(yōu)化算法能夠在極大降低計算復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)較好的性能；而相比于傳統(tǒng)的注水算法，所提出的頻譜共享框架能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜效率。⑶研究了最佳的無線資源分配

5、方案，包括Relay配對、Relay協(xié)議選擇、信道分配、發(fā)送功率等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)頻譜效率。具體地講，首先研究了單對認(rèn)知用戶通信時的資源優(yōu)化相關(guān)問題，且在中繼端考慮了信道配對過程。提出了貪姜聯(lián)合資源優(yōu)化算法，該算法核心思想為：對于給定的信道資源集，利用拉格朗日對偶算法以及匈牙利算法求解出最優(yōu)信道配對組合和最佳功率分配；緊接著，利用貪姜聚類算法獲得最佳的信道資源集。然后研究了多對認(rèn)知用戶多中繼節(jié)點(diǎn)場景下的資源優(yōu)化問題，且中繼端不再考慮信道

6、配對過程。本文提出了聯(lián)合最佳中繼配對和貪姜資源分配算法，該算法核心思想為：基于統(tǒng)計期望角度，利用匈牙利算法，通過求解等價的最大化加權(quán)二分圖匹配問題來確定最佳的中繼選擇組合；緊接著，利用貪姜聚類算法設(shè)計最佳資源分配框架以最小化系統(tǒng)帶寬功率乘積。仿真結(jié)果表明本文所提出的優(yōu)化算法相比于粒子群優(yōu)化算法能夠在極大降低計算復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)較好的性能；而相比于傳統(tǒng)的注水算法，本文所提出的頻譜共享框架能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜效率。⑷研究了最佳的資源分

7、配方案，在保證主用戶鏈路的通信質(zhì)量下，實(shí)現(xiàn)D2D鏈路的最佳能量效率。具體地講，首先研究了單對D2D通信用戶場景下的資源優(yōu)化問題。提出了最佳能效算法，該算法的核心思想是先利用分式規(guī)劃算法將原資源優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個非線性規(guī)劃問題，然后利用聯(lián)合迭代優(yōu)化算法來求解該非線性規(guī)劃問題。然后研究了多對D2D通信用戶場景下的資源優(yōu)化問題。提出了貪姜最佳能效算法，該算法的核心思想是利用貪姜聚類算法將每一條未被占用的主用戶鏈路依次有序地加入到相應(yīng)的D2D鏈